[论文解读] Exploring student facility with "goes like'' reasoning in introductory physics

Charlotte Zimmerman, Alexis Olsho+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 20, 2020

Science Education and Pedagogy参考文献 22被引用 5

一句话总结

本研究调查了大学物理入门课程学生在使用'随...而变化'（goes like）推理方面的能力——这是物理学家用来描述物理量之间函数关系的一种共变推理形式。通过推理测评工具，作者发现学生缺乏专家级的'随...而变化'推理能力，但他们具备来自先前课程的数学基础资源，可通过直接教学发展为专家级的物理定量推理技能。

ABSTRACT

Covariational reasoning -- reasoning about how changes in one quantity relate to changes in another quantity -- has been examined extensively in mathematics education research. Little research has been done, however, on covariational reasoning in introductory physics contexts. We explore one aspect of covariational reasoning: ``goes like'' reasoning. ``Goes like'' reasoning refers to ways physicists relate two quantities through a simplified function. For example, physicists often say that ``the electric field goes like one over r squared.'' While this reasoning mode is used regularly by physicists and physics instructors, how students make sense of and use it remains unclear. We present evidence from reasoning inventory items which indicate that many students are sense making with tools from prior math instruction, that could be developed into expert ``goes like'' thinking with direct instruction. Recommendations for further work in characterizing student sense making as a foundation for future development of instruction are made.

研究动机与目标

• . 探究大学物理入门课程学生如何使用'随...而变化'语言来推理物理量之间的函数关系。
• . 识别学生从先前数学课程中带来的、有助于发展'随...而变化'推理的有益推理资源与潜在能力。
• . 确定学生在为期一年的大学物理入门课程中，'随...而变化'推理能力是否有所提升。
• . 为基于学生推理资源发展专家级物理推理能力的课程干预提供建议。
• . 通过描述学生理解意义的过程，为物理教育研究做出贡献，将其作为发展物理中共变推理的基础。

提出的方法

• . 通过包含真实情境的任务对学生共变推理能力（包括'随...而变化'推理）进行测评，使用推理测评工具。
• . 使用如摩天轮（Ferris Wheel）和不丹国旗（Flag of Bhutan）等任务，激发学生对函数关系的推理。
• . 采用定性编码分析学生回答，识别推理资源、误解以及发展进程。
• . 比较学生在为期一年的大学物理入门课程中的表现，评估其推理能力的成长。
• . 将学生回答与专家推理模式进行映射，特别关注比例关系和函数关系的使用。
• . 整合数学教育中关于共变推理的既有研究，以在物理情境中定位学生的思维。

实验结果

研究问题

• RQ1 . 大学物理入门课程学生如何使用'随...而变化'语言来推理物理量之间的函数关系？
• RQ2 . 学生从先前数学课程中带来了哪些有益的推理资源，可支持其在物理中发展'随...而变化'推理？
• RQ3 . 学生在为期一年的大学物理入门课程中，'随...而变化'推理能力是否有所提升？
• RQ4 . 学生的推理模式在多大程度上与物理情境中的专家级共变推理一致？
• RQ5 . 哪些教学支持措施能有效基于学生已有资源，发展其专家级'随...而变化'推理能力？

主要发现

• . 即使经过一整年的大学物理入门课程教学，学生在专家级'随...而变化'推理方面仍表现有限。
• . 学生在使用'随...而变化'语言推理线性关系方面表现出较强能力，表明可在此基础上拓展至非线性关系。
• . 学生从先前数学课程中积累了可被利用的关系知识（如直角三角形与勾股定理），可用于发展物理特定的共变推理。
• . 摩天轮任务的回答揭示了学生在圆周运动与三角函数推理方面的能力，表明其具备发展专家级推理的潜力。
• . 学生的推理常基于离散、加法或非函数性思维，而非连续、函数性的共变思维。
• . 本研究发现课程材料中缺乏明确发展'随...而变化'推理的内容，凸显了开展针对性教学干预的必要性。